高效纯净水处理技术用于饮用水生产

1）水的过滤

原水通过粒状介质层时，其中一些悬浮物和胶体物质被截留在孔隙中或介质表面上，这种通过粒状介质层分离不溶性杂质的方法，称为过滤。

（1）池式过滤

池式过滤主要是指将过滤介质（如石英砂、活性炭）填于池中的过滤形式，适合于用水量较大且含有较多有机物杂质的原水处理。

常见的过滤介质有细砂、石英砂、活性炭等。常见的单层滤池结构（由上至下）为细砂、粗砂、砂石层、小卵石、大卵石。

滤池经过一定时间的水处理后，过滤介质吸附聚集了较多杂质，使得滤池过滤能力下降，达不到水处理的目的，此时滤池应进行清洗，以除去滤层中所吸附的杂质。清洗的方法是用水反冲（反洗）或反冲时通压缩空气，并结合用高压清水冲洗表面。

补充

果壳活性炭主要以果壳（椰子壳、核桃壳、杏核壳等）为原料，经炭化、活化、精制加工而成（比表面积大、孔隙发达），能有效吸附水中的游离氯、酚、硫、油、农药残留物和其他有机污染等。

（2）砂滤棒过滤器

当用水量较少，原水中只含少量有机物、细菌及其他杂质时，可采用砂滤棒过滤器。

砂滤棒过滤器主要是利用多孔陶瓷滤棒的作用来进行水处理（图6.1、图6.2）。砂滤棒过滤器外壳是用铝合金铸成锅形的密封容器，分上下两层，中间以隔板隔开，隔板下为待滤水（进水），隔板上为砂滤水（出水），容器内安装一根至数十根砂滤棒。

图6.1　砂滤棒过滤器

图6.2　砂滤棒过滤器工作示意图

1—净水出口；2—上盖；3—隔板；4—原水进口；5—砂滤棒；6—排污口；7—器身

水处理时，水在外压下通过砂滤棒的微孔（滤孔直径为0.002～0.004mm），水中存在的少量细微杂质及微生物被微孔吸附截留在砂滤棒上，经过滤的水基本达到无菌。

2）水的软化

（1）离子交换法

离子交换法是利用离子交换树脂交换离子的能力，按水处理的要求将原水中不需要的离子通过交换而暂时占有，使水得到软化的水处理方法。

补充

离子交换树脂是一种由有机分子单体聚合而成的，具有三维网状结构的多孔海绵状不溶性高分子化合物，通常是球形颗粒物。它分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

离子交换树脂软化水的原理：树脂吸水膨胀后，离子交换树脂能够与水中的离子进行交换，当水通过一个阳离子树脂交换柱时，水中溶解的阳离子被阳离子树脂吸附（释放H﹢离子），之后水再通过一个阴离子树脂交换柱，水中溶解的阴离子被阴离子交换树脂吸附（释放OH-离子），离子交换树脂中的H﹢离子和OH-离子进入水中，从而达到水质软化的目的。

离子交换法软化水的过程也是脱盐过程，即将水中的钙、镁等阳离子脱除，同时将碳酸盐、硫酸盐等阴离子脱除，从而脱除氯化钙、氯化镁、硫酸钙等盐类物质。

RSO3-H﹢Na﹢→RSO3-Na﹢H﹢（水中阳离子与阳离子树脂上的H﹢离子进行交换）

R=N-OH﹢Cl-→R=N-Cl﹢OH-（水中阴离子与阴离子树脂上的OH-离子进行交换）

补充

对于酸度高的果汁（橙汁、沙棘汁、山楂汁等），可采用阴离子交换树脂进行脱酸（降酸）处理，改善果汁的口感。需要实验筛选出适合的树脂种类和脱酸条件。

（2）反渗透法

反渗透（ReverseOsmosis，RO）是从20世纪50年代发展起来的新型膜分离技术，最早应用于海水淡化。这是因为很多沿海城市、岛屿缺乏淡水资源，而海水含盐量高，不宜直接饮用，需要以海水为原料，通过蒸馏法或反渗透法制备饮用水，而反渗透法相比蒸馏法更加节省能源。反渗透技术的成功应用，主要靠反渗透膜（一种半透膜）。

补充

反渗透膜的孔径很小（纳米级），只能让溶液中的溶剂单独通过而不让溶质通过，即水分子可以通过反渗透膜，同时有效截留所有溶解盐分及分子量大于100的有机物。

反渗透法原理（图6.3）：当用半透膜（如反渗透膜）隔开两种不同浓度的溶液时，稀溶液中的溶剂（如水）就会透过半透膜进入浓溶液（如海水）一侧，这种现象称为渗透。由于渗透作用，溶液的两侧在平衡后会形成液面的高度差，由这种高度差所产生的压力称为渗透压。(www.xing528.com)

图6.3　渗透与反渗透原理

如果在浓溶液（如海水）一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂（如水）就会由浓溶液一侧通过半透膜进入稀溶液中，这种现象称为反渗透。反渗透作用的结果是使浓溶液变得更浓，稀溶液变得更稀，最终达到脱盐目的。不同种类膜的透水量和脱盐性能如表6.1所示。

表6.1　不同种类膜的透水量和脱盐性能

为了生产高质量的饮料（果蔬汁饮料、豆奶饮料等），企业往往使用纯净水生产机组（简称纯水机组）制备饮料生产用纯净水（以自来水为生产原水）。其工作原理如下：自来水经预处理后，经过滤芯式保安过滤器（一般孔径小于10μm，防止预处理中未能完全去除或新产生的悬浮颗粒进入反渗透系统，保护高压泵和反渗透膜）后进入反渗透机组；进水被高压泵升压达到反渗透所需要的工作压力，然后输送入装有反渗透膜组件的压力容器内；水被反渗透膜分离，在压力容器内形成两股水流，其一是近于无盐的纯净水，其二是盐分和其他杂质都受到浓缩的浓水（含有杂质的废水）。浓水的一部分减压回流至高压泵进水口，另一部分由调节水阀进行调节，经流量计测量后排放到地沟。经检验最终得到的纯净水的电导率≤10μS/cm（25℃）。

补充

电导率是电阻率的倒数，衡量物质导电能力的大小。水的电导率是衡量水质的一个重要指标，它能反映出水中存在的电解质的程度，通常表示水的纯净度。

目前，家庭或社区纯净水机（直饮机）是以自来水为原水，在反渗透法制备纯净水的过程中，会产生大量的浓水，如制备1kg 纯净水的同时会排出2～3kg 浓水。而这些浓水往往被直接排放到下水道，造成浪费，是值得关注的问题。应采取措施，将这些浓水回收用作其他用途。

3）水的消毒

在水的前期处理过程中，大部分微生物随同悬浮物、胶体等被除去，但仍有部分微生物存在于水中，为确保食品安全，还应对水进行消毒。

生活饮用水通常采用水中加入氯气进行消毒的方法。一般认为氯气的消毒作用主要在于氯气溶解于水时生成的次氯酸。根据《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的规定，管网末梢水中游离氯（Cl-）≥0.05mg/L。这些余氯可以保持水在加氯后有持久的杀菌能力，防止水中残存和外界侵入的微生物生长繁殖，尤其是生活饮用水需要经过漫长的管道输送到居民家中，且高层建筑需要用到水箱储存再增压后输送到居民家中，这些环节都容易引起微生物繁殖而产生安全隐患。但余氯含量高，会使得水质口感降低，产生氯臭（类似漂白粉味道）。

而根据《食品安全国家标准包装饮用水》（GB 19298—2014）的规定，在饮用纯净水生产中，为了防止余氯产生氯臭，要求余氯（游离氯）≤0.05mg/L 。因此，在饮用纯净水加工中，一般不使用氯消毒，而是使用活性炭吸附等方法除去余氯。

（1）紫外线消毒

经紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外线光谱能量，使微生物细胞内核酸的结构发生裂变和蛋白质变性，最终导致微生物的死亡。

补充

目前，紫外线消毒装置多由可发射波长为253.7nm 的紫外线的低压汞灯和紫外线透过率为90%以上、污染系数小、耐高温的石英套管等组成。

（2）臭氧消毒

臭氧是氧的一种变体，性质很不稳定，虽比氧气易溶于水，但溶解度仍较小，在水中易分解成氧气和氧原子。氧原子很活泼，具有很强的氧化能力，能使水中的细菌及其他微生物的酶等发生氧化反应。由于臭氧的不稳定性，通常随时制取并当场使用。在大多数情况下，均利用干燥的空气或氧气进行高压放电来制备臭氧。

我国现已广泛将臭氧消毒用于饮用纯净水、饮用矿泉水的消毒杀菌。此外，家庭购买的消毒柜往往也有一层是采用臭氧消毒，适合给塑料或木制碗筷等消毒（这类物品不适合消毒柜的170℃高温消毒）。

臭氧是很强的杀菌剂，杀菌后水中的残余臭氧能在24h内保持水的杀菌状态。与氯消毒不同，残余臭氧经一段时间后会自行转变成普通的氧（即持续性不如余氯），不必用活性炭去除。另外，臭氧还可同时去除水色、某些气味等。

高级技术

离子树脂交换柱使用一段时间后，柱子从上到下会产生黑圈现象，表现为柱子的交换能力下降，处理后的水电导率升高，当黑圈充满整个交换柱时，水质已达不到要求，必须对离子树脂交换柱进行再生。

再生是对离子树脂交换柱的还原，其原理是水处理的逆反应。通常，阳离子交换树脂用树脂重量2～3倍的浓度为5%～7%的盐酸溶液浸泡8～10h，然后用去离子水洗至pH3.0～4.0，使树脂重新转变为H+型。而阴离子交换树脂用2～3倍的浓度为5%～8%的氢氧化钠溶液浸泡8～10h，然后用去离子水洗至pH8.0～9.0，使树脂重新转变为OH-型。

拓展训练

在自来水、纯净水的检测中，可以用TDS笔测定其TDS值，以快速、初步地确定水质情况。

TDS值也称溶解性总固体、溶解性固体总量，单位为mg/L，它表示1L 水中溶有多少毫克溶解性固体（1mg/L=1ppm）。我国生活饮用水的TDS值≤1000mg/L。TDS值测量原理是测量水的电导率。TDS值越高，表示水的电导率越大，也说明水中含有的溶解物越多。

TDS笔的使用方法：打开TDS笔探针盖，按下ON/OFF按钮，待液晶屏显示后，将TDS笔插入被测水中，待数值稳定后，按下HOLD按钮，拿出TDS笔读取数值方可。测试完毕后，用干纸将TDS笔探针擦拭干净。例如，TDS笔显示“100”，代表溶于水中的物质含量正离子或负离子总数为100ppm（公差为±5ppm），数字越高，表示水中的物质越多。一般而言，反渗透处理的水其TDS值在30ppm 以下。

思考练习

①为什么要对饮用水进行处理？

②为什么电导率是检测纯净水纯度的主要指标？

③为什么饮用纯净水臭氧灭菌后要立即灌装？

④除了在海岛上发挥作用，反渗透膜法海水淡化设备（纯净水机）还可以在远洋船舶上使用。例如，在远洋渔船上搭载小型的海水淡化设备，解决了淡水不够的问题。谈谈日常生活工作中，哪些场合在使用反渗透膜法纯净水机。